, junio de 2018 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA FORMALIZACIÓN DEL CONOCIMIENTO PARA EL DISEÑO DE TROQUELES DE CORTE PROGRESIVOS Autor: Robert Mandy Madrigal Marrero , junio 2018 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA FORMALIZACIÓN DEL CONOCIMIENTO PARA EL DISEÑO DE TROQUELES DE CORTE PROGRESIVOS Tutor: Dr. C. José R. Marty Delgado Profesor Titular FORMALIZACIÓN DEL CONOCIMIENTO PARA EL DISEÑO DE TROQUELES DE CORTE PROGRESIVOS Autor: Robert Mandy Madrigal Marrero , junio de 2018 Tutor: Dr. C. José Ramón. Marty Delgado Profesor Titular DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 RESUMEN El objetivo de este trabajo es recopilar, organizar y formalizar el conocimiento sobre el diseño de troqueles de corte progresivos, como primera etapa para la aplicación en estas tareas de la planeación de procesos asistida por computadoras y que auxilie a los tecnólogos en el diseño de estas herramientas. En el desarrollo de productos primarios a partir de chapas, el diseño de troqueles de corte progresivos es una de las tareas más complejas e multidisciplinarias que demanda determinadas habilidades en el diseñador. Los resultados de ese proceso, dependen de unas pocas reglas establecidas empíricamente, y sobre todo, de la experiencia del diseñador. Este tema de investigación tiene algunos antecedentes en Cuba y abundantes reportes internacionales. A partir del análisis de la bibliografía consultada y entrevistas a diseñadores, se propone un enfoque integrador para el análisis y síntesis de sistemas de ingeniería para la preparación y toma de decisiones bajo criterios múltiples, aplicado al diseño de troqueles de corte progresivos. Palabras clave: diseño, chapa metálica, troquel progresivo. ABSTRCT The aim of the present work is systematize, formalize and bring together the knowledge on the progressive dies cutting design, as a first step to application in these tasks, the computers aided process planning and that the technologists and designers of these forming tools can use the information detailed here. In the development of primary products from sheets metal, the design of progressive dies cutting is one of the most complex and multidisciplinary tasks that demands certain skills in the designer. The results of this process depend on some rules empirically established, and above all, on of the designer experience. This research topic has some background in Cuba and profuse international reports. Based on the bibliographical analysis and discussion with designers, an integrative approach is proposed for the analysis and synthesis of engineering systems to preparation and decision making under multiple criteria, applied to the design of progressive dies cutting. Keywords: design, sheet metal, progressive die. Índice Capitulo I. Marco teórico referencial ............................................................................................... 9 1.1 Diseño de troqueles, su relación con la ingeniería concurrente y el análisis de los sistemas de ingeniería .................................................................................................................................... 9 1.2 Fundamentos de la operación de corte de chapas con troqueles. ................................... 13 1.3 Informaciones asociadas al diseño de troqueles progresivos ........................................... 17 1.4 Conclusiones parciales ...................................................................................................... 23 Capítulo 2. Elementos de información asociados a la metodología de diseño de troqueles ...... 24 2.1 Elementos de un troquel de corte ........................................................................................... 24 2.2 Propuesta de metodología para el diseño de troqueles de corte progresivo ........................ 30 2.3 Análisis económico .................................................................................................................. 49 2.4 Conclusiones parciales. .......................................................................................................... 51 Capítulo 3. Caso de estudio. Diseño de un troquel progresivo para una pieza típica de acero inoxidable. ...................................................................................................................................... 52 3.1 Datos de la pieza y verificación de sus condiciones geométricas ......................................... 52 3.2 Selección del troquel a utilizar ................................................................................................ 54 3.3 Cálculo de la disposición de corte u ordenamiento ........................................................... 54 3.4 Cálculo del juego de corte ....................................................................................................... 57 3.5 Dimensionamiento de los elementos cortantes del troquel .................................................... 58 3.6 Selección de los materiales................................................................................................ 60 3.7 Cálculo del área mínima de trabajo de la matriz (𝑏2 ∗ 𝑙1) ................................................. 62 3.8 Selección del conjunto superior. ........................................................................................ 63 3.9 Cálculo de la fuerza de corte y el trabajo para la selección de la máquina. ..................... 65 3.10 Cálculos económicos. ........................................................................................................... 65 3.11 Conclusiones parciales ...................................................................................................... 69 Conclusiones Generales ............................................................................................................... 70 Bibliografía ..................................................................................................................................... 71 Anexo ................................................................................................................................................. 1 INTRODUCCIÓN El troquelado se define como un proceso mecánico de producción industrial que se utiliza para trabajar en frío lámina metálica y fabricar completa, o parcialmente, piezas por medio de una herramienta (troquel), constituida por un punzón y una matriz, también llamados “macho” y “hembra”, respectivamente. Troquelar es un arte metalmecánico muy importante para la industria, ya que siempre se busca fabricar productos más eficientes, resistentes, de calidad y económicos que los obtenidos con cualquier otro proceso productivo como fundición, forja o mecanizado. Es utilizado en gran variedad de sectores: electrodomésticos (línea blanca), automotriz, aeronáutico, industria militar, naval, electrónica e informática. Está enfocado en aprovechar al máximo el material para fabricar la mayor cantidad de piezas con el menor tiempo y costo posible. Los procesos de troquelado son continuos, repetitivos y se desarrollan a una velocidad de hasta cientos de golpes por minuto, siendo muy útil para la fabricación de productos en serie y a un costo considerablemente bajo, respecto a otros métodos de manufactura. En este concepto se agrupan operaciones como corte, punzonado, doblado, embutición y otros. En todas las variantes del proceso, la precisión depende directamente de la exactitud y calidad del troquel. Existen diferentes enfoques para el estudio y clasificación metodológica de los procesos de manufactura de chapa y dentro de estos, los procesos de trabajo sobre las chapas metálicas. La mayoría de esos enfoques clasifican estos procesos desde el punto de vista de la existencia ó no de movimientos relativos entre las partes de la chapa que se conforma. 2 Entre otros puntos de vista para el estudio y clasificación de los procesos de trabajo de las chapas metálicas cabe destacar las propuestas metodológicas que hacen S. Kalpakjian, L. Schaeffer y M. Mallo referidas a los procesos de corte (cizallado), doblado y embutición, en sus diversas variantes tecnológicas. Por tanto, la producción de piezas a partir de chapas está reservada a la fabricación en serie, la cual permite disminuir considerablemente el precio de costo unitario de cada pieza, sin embargo, el costo de la herramienta sigue teniendo un peso importante en el costo final de la pieza. En calidad de material inicial pueden emplearse: a) chapas de dimensiones normalizadas (ancho, largo, espesor) b) tiras o bandas cortadas en cizalla a las dimensiones requeridas c) tiras o bandas de dimensiones normalizadas d) cintas o rollos de dimensiones normalizadas. Los troqueles se pueden clasificar desde distintos puntos de vista, por ejemplo, en simples y progresivos. Troqueles simples (de una operación): estos troqueles permiten realizar solamente una operación simple (cortar, doblar o embutir) en cada golpe de la prensa, son de baja productividad y normalmente es necesario el uso de otros troqueles para poder concluir una pieza y considerarla terminada. Se utilizan para fabricar piezas sencillas. Troqueles progresivos (múltiples estaciones, operaciones o pasos): son troqueles complejos y de gran desarrollo. Llegan a tener decenas de etapas o pasos, en cada uno de ellos se modifica la lámina con una secuencia establecida por el diseñador (secuencia de corte), de tal manera que al final se obtiene una o varias piezas terminadas. 3 En un troquel de corte progresivo, los punzones entran en acción sucesivamente a medida que la chapa avanza a través del troquel. Son altamente productivos aunque su mantenimiento y operación es más compleja que en los otros casos y requiere de mayor capacitación del personal involucrado, son de alta eficiencia, precisión y calidad. Importancia y actualidad del tema. En Cuba, las tareas de diseñar y fabricar troqueles están frecuentemente asignadas a diferentes personas. La complejidad de algunas piezas requiere que diferentes especialistas formen un colectivo para el diseño de piezas y su fabricación. La importancia del diseño de herramientas y la concepción de tecnologías es bien conocida por los especialistas, sin embargo, todavía hoy, en muchos talleres las tecnologías y los diseños no se materializan ni se sistematizan como documentos. De esta manera, entre otros efectos negativos, se corre un alto riesgo de perder experiencias, se pierde tiempo concibiendo de nuevo la tecnología o el diseño, se pierde competitividad por falta de respuestas rápidas y por no mejorar (y hasta empeorar) la eficiencia de las tecnologías empleadas, etc. Estas son razones suficientes por las cuales el mejoramiento de la eficiencia empresarial, exige tener actualizada la documentación tecnológica. Los procesos de troquelado de chapas tienen su expresión en Cuba en diferentes empresas que se concentran, fundamentalmente, en el Ministerio de Industrias, Ministerio de Energía y Minas y el Ministerio de las Fuerzas Armadas Revolucionarias, a los que corresponden los mayores volúmenes de producción. Las razones por las que en muchas empresas, no se sistematice el proceso de diseño de herramientas son diversas. Entre ellas se pueden mencionar: 4  Éxodo de especialistas  Insuficiente personal especializado en las tareas de diseño  El proceso resulta un trabajo tedioso que a veces consume un tiempo.  Violaciones de la disciplina tecnológica en las empresas (los diseños se ejecutan siguiendo las experiencias empíricas de las personas).  No están creadas las condiciones organizativas para los procesos de diseño. Por otra parte, es conocido que en nuestro país la computación se está introduciendo a pasos acelerados en la educación y en el sector industrial, lo que garantiza que se convierta en una herramienta imprescindible en cualquier campo de trabajo. En la industria de producción de piezas solo en algunos centros de punta se emplea la computación directamente en la producción. La vínculo de estos factores dio cuerpo a la idea de realizar una investigación que intentara facilitar las tareas de diseño de herramientas de conformar, específicamente, los troqueles de corte progresivos. El diseño de troqueles es parte fundamental en el proceso de manufactura. Este es un tema de investigación con antecedentes en Cuba. Sin embargo, se tienen bastantes reportes de trabajos en este tema o similares realizados en el extranjero. En todo caso, la información a la que se ha tenido acceso indica que queda mucho por hacer en este campo. Situación problemática: La necesidad que presentan las empresas de contar con una guía metodológica para el diseño de troqueles progresivos que permita obtener, bajo criterios tecnológicos 5 unificados, los diseños requeridos, con el fin de minimizar la falta de informaciones y el éxodo de especialistas, así como potenciar el diseño y fabricación de herramentales en Cuba. Problema de investigación: Se necesita obtener el diseño de un troquel para la fabricación de una pieza de acero inoxidable de 0.6 mm de espesor. Objeto y objetivos de la investigación. El objeto de esta investigación es el diseño de herramientas para el trabajo de la chapa, especialmente los troqueles de corte progresivos montados en prensas mecánicas. Para este trabajo se planteó como objetivo general el siguiente: Recopilar, organizar y formalizar el conocimiento sobre el diseño de troqueles de corte progresivos, como primera etapa para la aplicación en estas tareas de la planeación de procesos asistida por computadoras y que auxilie a los tecnólogos en el diseño de estas herramientas. Los objetivos específicos son: 1. Organizar el conocimiento tecnológico disperso y los diferentes criterios sobre el diseño de troqueles progresivos para el trabajo con las chapas metálicas en forma de metodología de trabajo. 2. Diseñar, bajo los conceptos anteriores, un troquel de corte progresivo para una pieza determinada. 6 Métodos de investigación empleados. El método científico fundamental empleado en esta tesis es el analítico-sintético. Mediante el análisis se descompone en sus partes el troquel y se analiza su función en la herramienta, lo que permite, entre otros resultados, recopilar todas las normas existentes para el diseño de los elementos normalizados. El análisis permite también establecer los nexos entre el montaje de cada una de esas partes. La síntesis permite integrar las partes analizadas, lo que da como principal resultado la formalización del conocimiento que se plantea en el objetivo general del trabajo. Repercusiones. Los impactos de este trabajo se pueden clasificar y enunciar de la siguiente manera:  Científico y Tecnológico: El resultado de este trabajo es un conocimiento tecnológico, en el sentido de que organiza de una manera coherente los conocimientos sobre el diseño de troqueles de corte progresivos.  Económico: Este trabajo implica un incremento indirecto de la productividad difícil de cuantificar, visto más claramente en la elaboración de los diseños que se puedan generar con la información aquí ofrecida. Aumenta la competitividad por cuanto reduce el tiempo de respuesta al cliente interesado en la posibilidad de diseñar un troquel. Se refleja también como un aumento de la autosuficiencia en la producción.  Social: Mejora las informaciones técnicas sobre el diseño de troqueles; incrementa el nivel de la cultura en la producción directa de piezas; contribuye a visualizar una vía, hasta ahora subestimada o ignorada, para aumentar la productividad, para ser más competitivos. 7 Si se realiza una revisión de las tendicas actuales en el diseño de troqueles se puede concluir que grandes empresas manufactureras adquieran maquinaria con tecnología CNC (Control Numérico Computarizado) para la elaboración de sus productos, que combinados junto a los diferentes software CAD-CAM se puede realizar una diversa variedad de productos o elementos mecánicos como una matriz de corte, ayudando con el progreso de la industria nacional generando un valor agregado a la producción acorde a la demanda existente del mercado en torno a la utilización de equipos de última tecnología. La planificación de procesos asistida por computadora (CAPP), sirve como una necesaria y lógica interfaz entre el diseño asistido por computadora (CAD) y la manufactura asistida por computadora (CAM). El CAPP realiza automáticamente o semiautomáticamente la planificación del proceso de fabricación mediante el uso de sistemas expertos y el diseño de la pieza como dato de entrada. El diseño de la pieza puede estar desarrollado mediante el CAD. El CAPP se convierte en un puente entre el CAD y el CAM mediante la realización de planes de procesos interpretables por la máquina como dato de entrada para sistemas CAM-NC (con control numérico), a partir del diseño CAD del modelo de la pieza. El CAPP reduce el tiempo de planificación de procesos y el costo de manufactura, y crea planes consistentes y precisos para la producción de piezas troquelas. La no existencia del CAD o del CAM, o de ambos, no significa que no se pueda iniciar el desarrollo del CAPP. Por el contrario, el CAPP es necesario, en primer lugar, porque las máquinas convencionales siguen siendo mayoría en la producción de piezas, aun en los 8 países desarrollados, y porque su desarrollo prepara a los recursos humanos para una rápida asimilación del CAD/CAM, y va creando las condiciones materiales para ello. Los troqueles en la actualidad se utilizan para producir piezas en gran escala, obteniendo excelente uniformidad de características mecánicas y dimensionales con un buen acabado superficial de las piezas eliminando cuellos de botella y maximizando las utilidades de una empresa. 9 Capitulo I. Marco teórico referencial 1.1 Diseño de troqueles, su relación con la ingeniería concurrente y el análisis de los sistemas de ingeniería En la actualidad existe un amplio consenso en afirmar que la ingeniería concurrente (paralela o simultánea) es la forma más eficiente de hacer ingeniería en un entorno cada vez más competitivo. Según la revisión bibliográfica, se puede definirse la ingeniería concurrente como el conjunto de técnicas destinadas a acortar el tiempo de desarrollo de los proyectos, incorporando la voz del cliente y garantizando al mismo tiempo, la calidad del producto durante todo el ciclo de vida, desde el diseño hasta el reciclaje, mediante la realización simultánea de actividades y el trabajo en equipos multidisciplinarios. El éxito de la ingeniería concurrente depende de la información técnica, coordinación, cooperación y comunicación entre los miembros del equipo. El énfasis de este trabajo va en la dirección de la información asociada al diseño de troqueles de corte progresivos. El equipo multidisciplinario puede consistir en ingenieros en diseño, ingenieros en manufactura, especialistas en computación, especialistas en mercadeo, vendedores, etc. La ingeniería concurrente es una filosofía que trata de resolver estos problemas, pero es una filosofía que debe ser transformada en métodos, los cuales puedan ser implementados para su uso práctico. El Diseño para la Manufactura (DFM) y el Diseño para el Ensamblaje (DFA), son algunas metodologías para implementar algunas ideas comprendidas dentro de la Ingeniería Concurrente y aplicables a las tareas de diseño y manufactura de herramientas de conformar. 10 Sistema de variables para el análisis y síntesis de los procesos de corte de chapas Para convertir un concepto o idea en un producto, se transita por varios procesos principales: diseño, fabricación, ensamblaje y puesta a punto en la fábrica. A su vez, el proceso de diseño se puede dividir en una etapa de síntesis, en la que se crea el producto y una etapa de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez finalizadas estas etapas se aborda la etapa de fabricación en la que, en primer lugar, se planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios, pasando después a la fabricación del producto. Como fase importante durante todo el proceso se realiza un control de calidad del producto resultante antes de pasar a la fase de distribución y marketing. La tarea del diseño de troqueles progresivos, se subordina a la tarea general de diseño de tecnologías de fabricación de piezas como se explica en [1, 2]. Como elementos determinantes de la generación de esta tecnología, se encuentran, la obtención de la forma y dimensiones del semiproducto inicial (distribución de la pieza en la chapa), cálculo de las fuerzas necesarias, selección y diseño de los elementos individuales del troquel, el corte satisfactorio de la pieza y el montaje final del troquel para fabricar la pieza. El modelo o diseño de la pieza realizado mediante CAD es, en general, el punto de partida para la aplicación del resto de técnicas asistidas en los procesos de corte de chapas. La calidad de este modelo CAD condiciona la calidad de los resultados que puedan obtenerse posteriormente de otros sistemas de ayuda basados en la computación. Este aspecto es de gran importancia para obtener el éxito esperado de la utilización de estos 11 sistemas y merece mucha más atención de la que se le concede normalmente en las empresas conformadoras cubanas. Como ejemplo se pueden citar los trabajos de Fernández Levy [3] para la obtención de un sistema de ayuda al diseño de troqueles de corte simple y progresivos y de Quiza y colaboradores [4] para la generación de secuencias de mecanizado en procesos de torneado y de Padrón Soroa, en la formalización del conocimiento para un sistema CAPP de maquinado de piezas simétrico-rotativas [5]. Los sistemas integrados de fabricación se ven afectados seriamente por la falta generalizada de los sistemas CAPP, que trabajen conjuntamente con el resto de aplicaciones CAD, CAE, para obtener mayor rendimiento del sistema productivo. Esta carencia, además de dificultar la integración, supone un escaso aprovechamiento de las ventajas de la computación en estas tareas. Para referirse a ellas se emplea el término ciclo de producto, que aparece reflejado en la figura 1. Figura 1. Ciclo típico de la concepción de un producto conformado. Adaptado de [1] 12 La metodología desarrollada por Arzola [6] en su libro, Sistemas de Ingeniería, también es aplicable al caso concreto del diseño de troqueles de corte a partir de chapas. Las tareas de preparación de las decisiones derivadas de la aplicación de los principios de descomposición de los sistemas, se someten a un análisis externo e interno, según recomienda Arzola. A partir de los resultados anteriores, se propone en la figura 2, una guía para realizar el análisis externo e interno de los procesos de diseño de troqueles progresivos, según recomienda Arzola; así queda definido el conjunto de indicadores cuantificables a optimizar, el conjunto de variables intermedias a restringir y el conjunto de indicadores de carácter subjetivo a evaluar. Figura: 2. Sistema de variables para el análisis externo en la preparación de la toma de decisiones en el diseño de troqueles progresivos. Fuente: elaboración propia. 13 En el análisis interno se consideran la modelación matemática, la organización racional de los procedimientos de cálculo y la simulación. La separación del proceso de análisis en dos partes es convencional: una vez realizado el análisis interno, se retorna al externo con el fin de precisar la composición de variables. El proceso de análisis puede requerir de varias iteraciones. Los mejores resultados se alcanzan cuando se interrelacionan con los factores más importantes que condicionan la calidad de las embuticiones como fue explicado en el capítulo anterior de esta tesis. 1.2 Fundamentos de la operación de corte de chapas con troqueles. Los troqueles son construidos considerando cuatro aspectos muy importantes: trabajo a realizar, características de la prensa, material a troquelar y número de piezas a producir. A medida que aumentan los requerimientos del trabajo, la capacidad de las prensas, las exigencias de los materiales y la necesidad de producir más y mejor, también se conciben diseños de troqueles con mayor complejidad y desarrollo. El troquelado es un método para trabajar la chapa en frío, en forma y tamaño predeterminado, por medio de una herramienta llamada troquel y una prensa. El troquel determina el tamaño y forma de la pieza terminada y la prensa suministra la fuerza necesaria para efectuar el cambio. Cada troquel está especialmente construido para la operación a efectuar y no es adecuado para otras operaciones. Al aplicar un movimiento oscilante o de ascenso y descenso por medio de la prensa, con el montaje previo del troquel entre sus platinas se obtendrán las piezas en unos cuantos segundos, en el caso de las prensas mecánicas y en el caso de la prensa hidráulica solamente es por la introducción lenta del punzón en la matriz por medio de un par de platinas a las que se encuentra fijado el troquel. 14 El conformado de lámina en general, y en particular el troquelado, suele asociarse con un proceso mecánico relativamente simple de reducida aportación tecnológica y escasa complejidad. Sin embargo, la realidad es muy diferente ya que este trabajo, al igual que otros procesos de tipo mecánico, engloba una serie de técnicas llenas de habilidades y maestría. Los “expertos matriceros” son reconocidos y respetados en toda la industria metalúrgica por sus habilidades y destrezas. Es una labor minuciosa donde no hay opción para la improvisación, es un proceso que consta de diferentes etapas que van desde el diseño de la secuencia del trabajo a la configuración, construcción y puesta a punto del propio troquel, todas ellas implican precisión y perfección. Troquelar es un arte metalmecánico de gran importancia para la industria, enfocado, principalmente, hacía la productividad, debido a que siempre se busca fabricar productos más eficientes, resistentes, de calidad y económicos que los obtenidos con cualquier otro proceso productivo. Los pasos más importantes en el proceso de corte se explican a continuación con el ejemplo del desprendimiento de un disco de una tira de metal. La suposición aquí es que el diámetro del disco a cortar es mayor en comparación con el espesor de la lámina (d>s). 15 Las fuerzas de corte son transferidas a la pieza desde la cara final del punzón hasta la matriz. Debido a la residencia de la tira, esta se flexiona entre el punzón y la matriz como se observa en la figura 3a. Figura 3. Fases en el proceso de corte. Fuente: adaptada de [7] Al incrementar la acción de la fuerza en el punzón se ocasiona una deformación plástica en el material, el cual comienza a fluir. El punzón entonces penetra en la tira metálica como se muestra en la figura 3b. Con el incremento de la carrera de corte, la deformación de la orilla es transformada en una superficie de corte lisa, en la cual el tamaño es determinado por la capacidad de deformación del material. Como regla, las grietas se forman en la dirección de la matriz si la capacidad de fluir del material se ve restringida por el juego de corte. Esto lleva a la separación del material causado por la fractura tal como se observa en la figura 3c. Dependiendo de las propiedades del material y del juego de corte, estas grietas pueden correr desde la orilla de la matriz hacia la orilla del punzón, causando una separación 16 repentina y dejando una superficie de fractura en la zona de corte. Sin embargo, las grietas pueden correr una por arriba de otra y múltiples superficies de fractura se forman como resultado, con zonas de corte lisas distribuidas a lo largo de las orillas. Este fenómeno ocurre cuando el juego u holgura es muy pequeño y con el uso de materiales suaves. La Figura 4 muestra la trayectoria de la fuerza de corte. Al inicio del proceso, la tira es deformada elásticamente. La propagación de las grietas ocasiona una rápida reducción en la fuerza de corte. En el caso de que existan varias grietas, uno o más puntos de inflexión aparecen en la trayectoria de corte después de que se ha alcanzado la máxima fuerza de corte. Figura 4. Trayectoria de la fuerza de corte. Fuente: adaptada de [7] 17 1.3 Informaciones asociadas al diseño de troqueles progresivos El proceso de diseño de un troquel consta de diferentes etapas que van desde el diseño de la banda a la configuración y construcción del propio troquel. Este proceso suele ser un proceso básicamente manual y poco automatizado que depende básicamente de la experiencia y habilidades adquiridas por el diseñador, aunque cada vez es más frecuente el empleo de sistemas informáticos que ayudan a simplificar y disminuir el tiempo empleado en el diseño. Estructuralmente el proyecto de diseño se compone de tres grandes bloques en los que se desglosa tanto las fases de trabajo en fabricación como las orientaciones teóricas y técnicas para comprender el diseño completo de un troquel. Así pues constará: A. Bloque teórico con las características de este tipo de sistemas de fabricación. B. Bloque de diseño y desarrollo de la herramienta específica para la consecución de la pieza a que referencia el proyecto. C. Bloque de desarrollo de las especificaciones de fabricación del troquel. Incluye características y sistemas de fabricación del mismo. Las fases de trabajo comprenden:  Análisis de la pieza a obtener (Valoraciones previas): Se realiza directamente del prototipo de la pieza, o basándose en los planos de la misma, consiste en obtener datos técnicos básicos para el posterior diseño del troquel, así pues, teniendo en cuenta factores como el tipo de material, las tolerancias utilizadas o si la pieza lleva, o no, algún tratamiento superficial, se obtendrá el desarrollo de la misma y las fuerzas necesarias para los punzonados y troquelados. 18  Realización teórica del prototipo del troquel (Anteproyecto): Teniendo en cuenta todo lo anterior, se realizará un primer diseño y programación del troquel, para esta fase es muy importante conocer los requerimientos del cliente como son: tiempo de entrega previsto, calidad del troquel y calidad final de la pieza. Valorando todo lo anterior se elegirá el diseño que mejor se adapte a los requisitos.  Dimensionado del troquel (Proyecto): como su nombre indica consiste en definir tanto las dimensiones como los parámetros finales de cada parte y componente del troquel; esta fase es la más característica de la labor dentro de la empresa, y en ella es donde se deben aplicar todos los requerimientos de diseño. Durante este proceso se ha de intentar en todo momento adaptarse a los productos ofertados en los catálogos de los proveedores para evitar medidas especiales que pudieran incrementar el precio y aumentar la carga de trabajo.  Despiece detallado y lista de materiales: Debido a que el diseño se realiza basado en el conjunto, es necesario tanto un despiece detallado de todas las partes que lo forman como una lista de componentes, esto facilita el proceso de fabricación y es necesario para realizar el pedido de materias primas y elementos normalizados. En los despieces se ha de detallar todas las cotas necesarias junto con sus tolerancias, y todos los parámetros de construcción que se consideren importantes, como soldaduras, roscados, etc. En caso de usar herramientas de C.N.C. el despiece implica la realización de los programas CAM. También hay que especificar el tipo de material y sus posibles tratamientos. En cuanto a la lista de componentes es imprescindible adjuntar: marca, referencia y cantidad. Esta fase hay que entenderla como la parte final del desarrollo 19 teórico y la que da paso a todo el proceso constructivo, por lo tanto hay que poner especial atención e intentar asegurar la correcta consecución de los pasos, de lo contrario podría suponer retrasos y gastos. Otros autores afirman que la realización de cualquier proyecto de troquel posee una serie de pasos en relación al proceso constructivo, el orden propuesto aparece en la figura 5 y es el siguiente: 1) Identificación de la necesidad. 2) Etapa de definición. 3) Etapa preliminar. 4) Etapa de cálculo detallado. 5) Evaluación. 6) Etapa de documentación. Figura 5. Modelo de diseño de troqueles de corte. Adaptada de [8] 20 El proceso de diseño planteado en el modelo no es lineal y una de sus características fundamentales es que obliga a la iteración. Por ello, el proceso de diseño debe estar orientado a la realización de cambios, de forma que éstos impliquen la mayor eficiencia durante el desarrollo y modificaciones del mismo. En el desarrollo de estas etapas debe existir comunicación y cooperación entre personas, departamentos y empresas involucradas, con un flujo de información bidireccional. Bajo este enfoque, no se restringe al diseño basado solamente en cálculos y la realización de planos para el simple funcionamiento de la máquina, sino que se introducen conceptos de diseño enfocado a la fabricación, al montaje y mantenimiento. 1) Identificación de la necesidad Para poder detectar una necesidad es necesario tener datos (estadísticos, históricos, experimentales) que sustenten la propuesta de un diseño que cubra dicha insuficiencia. 2) Etapa de definición En esta etapa se plantean configuraciones posibles a partir de las especificaciones iniciales de un diseño ya existente, los requisitos de funcionamiento, especificaciones técnicas y tolerancias. Se puede entender cómo definir al hecho de establecer los límites de un problema y el alcance de la solución. Es indicar lo que se quiere hacer y a dónde se quiere llegar. 2.1 Especificaciones de la pieza a producir. Para este paso es indispensable contar con toda la información técnica de entrada de la pieza a producir; como la geometría, tipo de material, tolerancias de acabado y volúmenes de producción. Tomar en cuenta todo el análisis y las especificaciones para 21 evitar problemas relacionados con las cantidades a producir o el ciclo de vida estimado de la pieza no amortizará el costo del herramental. 3) Etapa preliminar y síntesis del problema Esta etapa se considera como la más creativa, se trata de optimizar las configuraciones seleccionadas en los pasos anteriores, y poder obtener la óptima. Se respalda en la simulación para poder crear sistemas herramentales en dónde se pueda evaluar las características y obtener la mejor combinación de las especificaciones a través de la búsqueda de la perfección, evaluando el análisis de limitaciones del equipo. Un aspecto que es preciso tener en cuenta son los deshechos que se producen. En este sentido, los procesos de conformado con desprendimiento de viruta o recortes, se está tratando de minimizar, ya que los gastos que ello conlleva son importantes, al realizar un producto que prácticamente en su etapa final se elimina, con el correspondiente derroche energético y de materias primas. Para ello es preciso evaluar tanto los aspectos energéticos que intervienen como los residuos resultantes. 4) Análisis y diseño detallado En esta etapa es donde se debe considerar un entendimiento a detalle del diseño, tomando en cuenta factores humanos, apariencia, resistencia, cantidades y economía para satisfacer los requisitos del diseño. Se debe asegurar que el diseño cumpla con las restricciones impuestas a la solución con simulaciones y pruebas con prototipos. 5) Evaluación del diseño Esta etapa es una de las más importantes en el proceso del diseño, es aquí en donde el diseño elaborado hasta el momento debe aceptarse o rechazarse, ya sea parcial o 22 totalmente, dependiendo de su viabilidad. Es cierto que la el propio proceso del diseño en sí no nos garantiza que el producto final no presente desviaciones con respecto a su conceptualización inicial, pero si bien no podemos asegurar que estas desviaciones aparezcan, si podemos minimizar los impactos negativos de las mismas y mejorar de forma sustancial el gap que ocurriría en caso de qué propio troquel fuera elaborado de forma directa a través de la experiencia de los maquiladores del mismo o por pruebas de ensayo y error. Normalmente la evaluación del troquel está relacionada con la verificación de aspectos dimensionales del mismo. Con la ayuda de algún software especializado, como SolidWorks, se puede realizar una verificación del funcionamiento del mismo pasando de la posición de abierto a la de cerrado y verificando las interferencias o fallas de posicionamiento que pudiesen presentarse en las piezas que componen el troquel. Es necesario también verificar si las holguras estimadas son las correctas, entre otros parámetros. Es en esta etapa en dónde es necesario verificar si el troquel propuesto cumple con las características establecidas, se puede retornar a cualquiera de las etapas anteriores para continuar el ciclo hasta que se obtenga la alternativa más conveniente. En caso que se detecte alguna interferencia se identifican los componentes involucrados y se procede a hacer la corrección de posición o tamaño. Los planos de cada componente del troquel se generaron al tiempo de su definición y las modificaciones resultantes en la etapa de evaluación se actualizan antes de emitir los planos finales. 6) Presentación y especificación del diseño 23 Finalmente, para concluir la etapa del diseño del troquel se procede a elaborar los planos del mismo, dentro de éstos se deberá plasmar toda la información técnica necesaria para la elaboración del propio troquel, a fin de que independientemente de la participación del diseñador en la etapa de elaboración del troquel, éste pueda ser construido de forma exacta o como se planeó en la etapa de diseño. Para la siguiente etapa relacionada con la elaboración física del troquel sería muy conveniente involucrar al diseñador del mismo. 1.4 Conclusiones parciales 1. La tarea del diseño de troqueles progresivos, se subordina a la tarea general de diseño de tecnologías de fabricación de piezas. 2. En el análisis de la información asociada al diseño de troqueles se pueden aplicar los principios de descomposición de los sistemas de ingeniería para definir el conjunto de variables que intervienen en el diseño. 3. Los enfoques más novedosos en el diseño de troqueles no se restringen al diseño basado solamente en cálculos y la realización de planos para su funcionamiento, sino que se introducen conceptos de diseño enfocados a la fabricación, al montaje y mantenimiento. 24 Capítulo 2. Elementos de información asociados a la metodología de diseño de troqueles Introducción El troquelado, como se comentó en el capítulo anterior, se define como un proceso mecánico de producción industrial que se utiliza para trabajar en frío lámina metálica y fabricar completa o parcialmente piezas por medio de una herramienta [9], conformada por un punzón y una matriz, también llamados ‘macho’ y ‘hembra’, respectivamente. Troquelar es un arte metalmecánico muy importante para la industria, pues siempre se busca fabricar productos más eficientes, resistentes, de calidad y económicos que los obtenidos con cualquier otro proceso productivo como fundición, forja o mecanizado. Es utilizado en gran variedad de sectores: electrodomésticos (línea blanca), automotriz, aeronáutico, naval, electrónico e informático. Está enfocado en aprovechar al máximo el material para fabricar la mayor cantidad de piezas con el menor tiempo y costo posible. [10] 2.1 Elementos de un troquel de corte Todo utillaje o troquel cuenta con una serie de elementos constructivos que cumplen una misión específica dentro del conjunto general del trabajo para el cual han sido fabricados. Estos componentes, por sus características mecánicas deben estar cuidadosamente diseñados para lograr el objetivo de producir piezas sin ningún defecto. Desde los troqueles simples, hasta los más complejos (progresivos) todos tienen esencialmente algunos de los siguientes componentes, a continuación se describe las partes que de una u otra forma están presentes en casi todos los troqueles independientemente de su tamaño o complejidad. 25 Figura 6: Partes que conforman un troquel. Armazón o base inferior. El armazón o base inferior del utillaje es el elemento sobre el cual van montados todos los demás componentes, y a su vez, descansa sobre la bancada de la prensa durante la fase de trabajo. Para el resto del troquel, la base y los elementos que lleva montados hacen las funciones de apoyo, puesto que recibirán toda la fuerza de transformación que la prensa aplique sobre ella. Sobre la base inferior se montan las columnas guía que sirven como referencia de centraje entre la parte superior e inferior, (parte móvil / parte fija). Así mismo, dicha base tiene la misión de absorber y neutralizar todas las fuerzas que inciden sobre su superficie durante la transformación. La base inferior igual que la superior, han de ir fuertemente fijadas a la prensa utilizando tornillos o bridas, ambas placas han de quedar alineadas y centradas entre sí por medio de dichas columnas de centraje. Algunos de los elementos que aloja la base inferior son: placa porta matrices o 26 segmentos de cortar, doblar o embutir, reglas guías, sufridera inferior, topes de avances, columnas guía, pernos, etc. Base Superior. El Armazón o base superior tiene la misión de aglutinar en su superficie todas la placas y elementos que sujetan y montan los punzones que lleva el troquel, además la base superior, va sujeta al carro superior de la prensa que la inmoviliza y fija durante todo el proceso de trabajo. La base superior recibe directamente todo el movimiento de la prensa para que esta lo transmita a la matriz, los punzones y estos transformen la chapa. Sufridera o Placa de Choque. La misión de esta placa es únicamente absorber los impactos de los punzones y buterolas. Su fabricación es muy simple y solamente habrá que mecanizar los taladros para los elementos de sujeción del expulsor matriz y punzones. Se situara en el cajeado realizado en la base superior para tal fin [11]. Figura 7: Sufridera o placa de apoyo 27 Reglas Guías de Banda. Las reglas guías de banda son uno de los componentes más característicos de las matrices progresivas. Se construyen con el fin de guiar longitudinal y transversalmente la tira de chapa en su desplazamiento por el interior de la matriz. El tratamiento térmico más adecuado (templado y revenido o nitrurado) es aquel que impide un desgaste prematuro de sus paredes que pueda dificultar en buen deslizamiento de la banda por su interior. Porta-punzones. La finalidad de la placa porta punzones es la de alojar y fijar en su interior todos los punzones que lleve la matriz. La fijación y posicionamiento del porta-punzones a la base superior se hace por medio de tornillos y pasadores, teniendo especial cuidado en guardar un total paralelismo y perpendicularidad entre los punzones y sus respectivos alojamientos en la placa guía. Figura 8: Placa portapunzones. 28 Matrices cortantes. Para el diseño de las matrices se suele elegir la utilización de varias de pequeño tamaño dimensionadas para aguantar las tensiones a las que se someterá, esto facilita el mantenimiento en caso de rotura, además en matrices de corte las paredes verticales de han de llevar unas descargas o ensanchamiento en sus medidas que permitan la caída de los retales una vez que estos hayan descendido unos pocos milímetros. [12] Estas paredes verticales a las que se hace referencia (vida de matriz) acostumbran a tener unas medidas de entre 4mm y 8mm. La medida menor se utiliza en matrices pequeñas con poca producción y la mayor en matrices grandes con mayor producción. Punzones. Los punzones, también conocidos como ‘machos’, tienen por objeto realizar el corte de la lámina con la geometría deseada. Se habla de ‘punzones’ y no de punzón, porque en general la mayoría de troqueles llevan montados en su interior un gran número de ellos que pueden ser iguales o totalmente diferentes, según la función que desempeñen. Se cuida con especial atención la fabricación de los punzones, ya que deben estar perfectamente diseñados y maquinados, muy bien sujetos a la placa porta punzones, acorde a las dimensiones requeridas, con excelentes acabados y un adecuado tratamiento térmico [13]. Las principales características que deben reunir todo tipo de punzones son: a. Materiales y tratamientos adecuados a cada transformación. b. Buena resistencia al desgaste. c. Facilidad de construcción y mantenimiento. d. Precisión de medidas. 29 e. Buenos acabados superficiales. Varios. Para la construcción y funcionamiento de los troqueles se requiere de una gran variedad de componentes complementarios como, casquillos, sujetadores, tornillos de fijación, tornillos de apriete, guías, sistemas de amarre y bridas de sujeción, muelles, empujadores, centradores, entre otros. Todos ellos forman el complejo y efectivo sistema del troquelado. Tipos de troqueles. De las diferentes clasificaciones de troqueles se reseñan como más características las que los ordenan según el tipo de operaciones que realizan o del número de operaciones que se llevan a cabo en el interior del troquel en cada golpe de prensa. Según el tipo operaciones que realizan se puede hacer la siguiente clasificación: − Troqueles de corte. − Troqueles de doblado. − Troqueles de embutición. − Troqueles mixtos. Combinan varias de las operaciones anteriores. Según el número de operaciones y etapas que realizan se puede hacer la siguiente clasificación: − Troqueles simples: estos troqueles permiten realizar solamente una operación en cada golpe de la prensa, son de baja productividad y normalmente es necesario el uso de otros troqueles para poder concluir una pieza y considerarla terminada [14]. − Troqueles combinados: Realizan varias operaciones con cada golpe de prensa, todas 30 simultáneamente sobre la misma chapa, obteniendo la pieza deseada en una sola etapa y en un solo golpe de prensa. − Troqueles progresivos: Realizan varias operaciones en cada golpe de prensa, en diferentes etapas. Estas operaciones se realizan de manera progresiva al avanzar la tira de chapa por el interior de troquel, obteniendo finalmente la pieza deseada. − Troqueles trasnfer: Son similares a los progresivos, en el que el material introducido ha sido sometido a operaciones previas. Este trabajo se centra en los troqueles progresivos, en el que se muestra su proceso de diseño, y se desarrollan aportaciones al diseño automatizado, optimizando diferentes etapas. 2.2 Propuesta de metodología para el diseño de troqueles de corte progresivo Verificación del plano de pieza. Chequeo de los radios de empalme en el contorno exterior e interior (Anexo 1). Determinar las tolerancias o desviaciones de todas las dimensiones de la pieza utilizando las tablas 3, 4, 5, 7 y 8 (Anexo 1). Verificar el diámetro mínimo a punzonar, es necesario utilizar la tabla 2 (Anexo 1). Verificar las distancias entre los agujeros a punzonar y la distancia entre agujeros y el contorno exterior de la pieza, se utiliza la tabla 6 (Anexo 1). Selección de las tolerancias (desviaciones) de las medidas libres de la pieza, se usa la tabla 5 (Anexo 1). Determinar las desviaciones de los diámetros a punzonar, tabla 5 (Anexo 1). 31 Selección del troquel a utilizar. Para la selección del troquel se deben utilizar las tablas 9 y 10 (Anexo 1). Cálculo de la disposición de corte u ordenamiento. Para determinar la disposición más adecuada de la pieza en la chapa, se debe de optar por ensayar diferentes posiciones, escogiendo la que represente un mayor porcentaje de utilización, con el fin de economizar material y disminuir los costos de producción. Determinación del paso (P): el paso es ancho de la pieza en la dirección del largo de la tira y la distancia pieza-pieza. P=dimensión + dpp b) Determinación del ancho de la banda (B): - Para ordenamiento sencillo 𝐵 = 𝐿𝑁 + 2𝑀1 B: Ancho de banda 𝐿𝑁: Longitud nominal de la pieza 𝑀1: Distancia pieza-borde c) Determinación de las distancias pieza-pieza y pieza-borde. -Distancia pieza-pieza (dpp) S≤dpp≤1.5˟ S -Distancia pieza-borde (dpb) 1.5≤dpb≤1.5˟S -S: Espesor de la plancha d) Determinación de la cantidad de piezas por chapa 32 Corte longitudinal: -Cálculo de número de bandas por chapa. 𝑁𝐵 𝑐ℎ = 𝐴 𝐵 A: Ancho de la chapa B: Ancho de la banda -Número de piezas por banda 𝑁𝑝 𝐵 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑃 -Número de piezas por chapa 𝑁𝑝 𝑐ℎ = 𝑁𝑏 𝑐ℎ ˟ 𝑁𝑝 𝐵 -Factor de aprovechamiento. K= 𝐴𝑝˟ 𝑁𝑝 𝐵 𝐴 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 ˟100 Corte transversal: -Cálculo de número de bandas por chapa. 𝑁𝑏 𝑐ℎ = 𝐿 𝐵 L: Longitud de la chapa B: Ancho de la banda -Número de piezas por banda 33 𝑁𝑝 𝐵 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑃 -Factor de aprovechamiento. K= 𝐴𝑝˟ 𝑁𝑝 𝐵 𝐴 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 ˟100 Si el ordenamiento es opuesto, doble o triple se calcula de la siguiente forma: 𝑁𝑃 𝐵 = 𝑁1 + 𝑁2 𝑁1 = 𝐿 − 𝑋1 𝑃 + 1 𝑁2 = 𝐿 − 𝑋2 𝑃 + 1 L: longitud de la banda X1 y X2: longitud necesaria para obtener la primera pieza en cada fila respectivamente. De esta forma se obtiene: 𝑁𝑃 𝑐ℎ = 𝑁𝑝 𝐵 ∗ 𝑁𝐵 Conociendo la cantidad de piezas por chapa se determina el coeficiente el coeficiente de aprovechamiento del material. 𝐾 = 𝑁 𝑃 𝐶𝐻 ∗ 𝑎 𝐴 ∗ 100 Dónde: a: área de la pieza A: área del semiproducto 34 Ubicación de los punzones. La ubicación de los punzones consiste en marcar la posición y forma el diseño de la pieza. Como regla general, a la hora de determinar la situación de los punzones, debe observarse que sea de manera que los agujeros correspondientes en la matriz estén lo suficientemente separados entre sí para que no creen dificultades durante su elaboración, tratamiento térmico o trabajo posterior de la herramienta, así como que, tanto a ella como los punzones, sean de elaboración lo más sencilla posible. Una vez ubicados los punzones en troqueles progresivos, es recomendable ver la posición que ocupa el borde de la chapa en cada uno de los cortes iniciales previos a la obtención de la primera pieza terminada. Deben evitarse cortes parciales en punzones esbeltos, pues estos pueden provocar fuerzas laterales capaces de romperlos o, cuando menos, de dañar el filo del lado opuesto por flexión. [15] Determinación del centro de fuerzas. El centro de presiones (CDP) también se denomina centro de gravedad o baricentro y corresponde al punto donde está aplicada la resultante de todas las fuerzas de corte del troquel. En este sitio va ubicado el vástago del portapunzón, con el objetivo de conseguir una distribución simétrica de los esfuerzos cortantes para evitar posibles deflexiones en los punzones y columnas guías. En la determinación correcta del CDP se recomienda tener presente las siguientes normas: -Las piezas de forma simple, disponen un centro de presiones que coincide en el centro geométrico de la figura respectiva. 35 -Los polígonos regulares que están inscritos o circunscritos sobre una circunferencia, tienen el centro de gravedad dispuesto en el centro del círculo. -En las figuras irregulares el baricentro se determina ara cada una de las líneas que conforman el perímetro de corte. Determinación del centro de presiones o centro de fuerzas po el método analítico -Dibujar la pieza a escala natural (1:1) -Trazar un sistema de ejes de coordenadas que tenga origen en un punto arbitrario o en algún eje de simetría. -Dividir la figura en elementos más simples numerando dichas partes. -Hallar el perímetro y los C.D.P que tiene cada uno de los elementos. -Calcular la abscisa �̅�respecto al eje Y mediante la ecuación: �̅� = 𝑋1𝑃1 + 𝑋2𝑃2 + ⋯ … + 𝑋𝑛𝑃𝑛 𝑃1 + 𝑃2 + ⋯ … + 𝑃𝑛 𝑋1, 𝑋2, 𝑋𝑛=Distancia del eje Y al CDP de los elementos 1, 2, n 𝑃1, 𝑃2, 𝑃𝑛=Perímetros de corte de los elementos respectivos -Determinar la ordenada �̅� con referencia al eje X mediante la fórmula siguiente: �̅� = 𝑌1𝑃1 + 𝑌2𝑃2 + ⋯ … + 𝑌𝑛𝑃𝑛 𝑃1 + 𝑃2 + ⋯ … + 𝑃𝑛 𝑌1, 𝑌2, 𝑌𝑛=Distancias del eje X al .DP de los elementos 1, 2, n Las dos coordenadas del centro de fuerzas se hallan planteando la igualdad de momentos (fuerza por brazo) de las figuras individuales y de la fuerza resultante. 36 𝑋𝐶𝐹 = ∑ 𝐹𝑖 ∗ 𝑋𝑖 ∑ 𝐹𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑥=1 𝑌𝐶𝐹 = ∑ 𝐹𝑖 ∗ 𝑌𝑖 ∑ 𝐹𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑥=1 𝑋𝐶𝐹 𝑦 𝑌𝐶𝐹: Coordenadas buscadas en mm 𝐹𝑖: Cada una de las fuerzas aplicadas al punzón 𝑋𝑖 𝑦 𝑌𝑖: Coordenadas X Y del centro de fuerza Cálculo del juego de corte. El juego entre el punzón y la matriz depende del espesor de la chapa y la calidad del material que puede ser duro, dulce o blando. Para láminas de poco espesor el juego no debe existir prácticamente; pero para láminas de elevado espesor, el juego debe ser aplicable. Para la chapa metálica, generalmente, está subordinado al espesor y varía proporcionalmente con éste, Figura 9: Juego entre los filos de corte de un troquel de corte. En el libro de Mario Rossi se indica que para calcular la holgura en % entre el punzón y la matriz debe de ser considerada entre el 5 y 10 % del espesor del material y también 37 dependiendo de qué material se trate. Para punzones pequeños la holgura es casi cero debido a que solamente pueden cortar espesores pequeños. [16] Con la tabla 14 (Anexo 1) se puede determinar el juego de corte, o diferencia en diámetro entre el punzón y la matriz, esta tabla nos da este valor en función del tipo de material a cortar y de su espesor. En general se puede aceptar: -Espesores menores a 0,3mm se cortan prácticamente sin juego y en muchos casos con diferencias notables entre la dureza de los punzones y matrices. -Para el latón se puede tomar un juego de corte de 5% del espesor de la chapa. -Para los aceros se puede trabajar con un valor de juego de 7 a 10 % de este espesor, con los valores mayores para los más duros. -Los aluminios blandos se cortan con juegos de corte del orden de 3%. [15] Se puede calcular por la siguiente expresión: µ=0.01*S√0.1𝜏𝐵 para S≤3mm µ= (0.0075*S-0.015) √0.1𝜏𝐵 para S>3mm μ : juego de corte unilateral, mm S: espesor de la chapa, mm 𝜏𝐵: Resistencia al corte del material, 𝑁 𝑚𝑚2 38 Dimensionamiento de los elementos cortantes del troquel Punzonado En piezas punzonadas el tamaño de los agujeros lo dan los punzones y que el degaste de estos tienden a disminuir sus dimensiones, por ende se debe de fijar la medida nominal de fabricación de esta herramienta cerca o en la mayor medida permisible del agujero. 𝐿𝑃 = (𝐿𝑁 + ∆𝑆 + 𝑓𝑒)−𝛿 𝐿𝑚 = (𝐿𝑝 + 2𝜇)+𝛿 Dónde: 𝐿𝑝 𝑦 𝐿𝑀: Dimensiones del punzón y la matriz respectivamente, mm δ : tolerancia de fabricación de la matriz o el punzón, mm se puede tomar como 1 5 𝑜 1 10 de la tolerancia de la pieza 𝑓𝑒: Factor de recuperación elástica, mm (página 40 Herramientas de Conformar) 𝐿𝑁: dimensiones nominal de la pieza, mm Recortado (Corte) Las piezas recortadas toman su medida de la matriz, el desgaste de esta herramienta tiende a aumentar la dimensión de sus agujeros y es por esto que se le dará como medida nominal de fabricación, una magnitud igual o próxima a la menor permisible de la pieza a obtener. 𝐿𝑀 = (𝐿𝑁 + ∆𝑖)+𝛿 𝐿𝑝 = (𝐿𝑀 + 2𝜇)−𝛿 39 𝐿𝑀: Dimensiones de la matriz, mm 𝐿𝑁: Dimensión nominal de la pieza, mm 𝛿: Tolerancia de fabricación de la matriz o el punzón, mm se puede tomar como 1 5 𝑜 1 10 de la tolerancia de la pieza. ∆𝑖: Desviación inferior para la dimensión de la pieza analizada. 𝜇: Juego de corte unilateral Selección de los materiales para la fabricación del troquel Los materiales empleados en la construcción de troqueles deben seleccionarse considerando determinados parámetros, los cuales dependen del tipo de trabajo que se quiera realizar. Un troquel destinado a punzonar piezas de latón de pequeño tamaño no requerirá un acero de tan elevada resistencia al desgaste como otro destinado a troquelar acero inoxidable. Así mismo, una matriz destinada solamente a trabajos de embutición, permite el empleo de fundición de hierro o de metales ligeros; depende del volumen de rendimiento que se desee obtener. Sin embargo los diversos aceros empleados en la construcción de esta clase de troqueles deben ser de alta resistencia al corte, muy estables al temple y de muy bajo índice de deformabilidad. Para cada caso particular de aplicación, el acero debe seleccionarse cuidadosamente. En el caso de materiales que soportan rozamientos como los casquillos, se emplea bronce/aluminio, que sufren el desgaste y facilitan la lubricación, lo que requiere es que sean fácilmente accesibles para su recambio, de este modo se preservan las piezas con las que están en contacto. Las sufrideras son piezas que transmiten y reciben una parte importante del esfuerzo de la prensa, se colocan entre los punzones y las placas, evitando 40 su deterioro, son más duras que las placas, por lo que se utiliza un acero de dureza 52- 54 HRc. Los punzones, la matriz, los muelles y las columnas tienen las exigencias de dureza más estrictas de 60-62 HRc. [17] Las demás piezas se fabrican con aceros que no requieren tantas exigencias. Muchos hierros fundidos y diferentes tipos de grados de acero son usados para manufacturar troqueles en la industria. La selección del material requiere una evaluación sistemática del material de la herramienta, recubrimientos, y tratamientos térmicos, considerando los costos como parámetro de evaluación. Otros criterios para la selección de los materiales de las partes de los troqueles recomiendan lo siguiente: Base superior (parte móvil): Para su fabricación se usan materiales tales como placas de hierro fundido, hierro maleable, aceros al carbono del tipo A-36 o placas de aceros al carbono de mediana resistencia como SAE/AISI: 1045, o sus equivalentes en dependencia de las marcas. La norma cubana para el diseño de troqueles, NC 09-02-06 (9), plantea la utilización de fundición de acero marca FA-45, FA-50 y FA-55 o acero 45. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 (10) utiliza los aceros FG-22, aceros 45 o 20. La rugosidad superficial que es utilizada en la NC 09-02-06 es de 1,25. Base inferior (parte fija): Tanto la base inferior como superior presentan las mismas características. Porta punzones: Es construida según la exigencia del troquel con diferentes tipos de aceros, incluyendo SAE/AISI: 1045 para trabajos de baja y mediana exigencia o de alta 41 calidad y resistencia, como SAE/AISI: O1, O2, A2, D2, D3, D6, para aquellas herramientas dedicadas a procesos de alta producción, todos ellos, materiales que cumplen con las tres propiedades más importantes en la selección de aceros para trabajos en frío: tenacidad, resistencia al desgaste y dureza. En la norma NF09-0035.1:1977 se establece que la rugosidad superficial 1.6. Sistema de guiado: Esta función se deja a cargo de cuatro columnas de guiado que van montadas generalmente en la base inferior y sus respectivos bujes, sistema que se encargan de posicionar y centrar las dos partes del troquel. La NC 09-02-85 esta norma establece las especificaciones de los bujes guía con ajuste complementario, para las columnas guía escalonadas, propone que los bujes se realizaran de acero 20, acero 18 Cr Mn Ti, fundiciones grises FG 25. Para el acero 20 cementar de 0,8 a 1,2 mm de profundidad y una dureza de HRC 45…58 y para el acero 18 Cr Mn Ti cementar 1,5 mm de profundidad como mínimo y una dureza de HRC 48…52. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 plantea que para los bujes y columnas guías se puede utilizar un acero 18 XGT, acero 20 con una dureza HRC 58…62 y sementarlos de 0,5 a 0,8 mm de profundidad. La rugosidad superficial será de será de 0.4 según la NC 09-02-85 con una tolerancia de H7. En la norma NF09-0035.1:1977 se establece una rugosidad superficial de 0,8. Punzones: La elección de los aceros para su fabricación se hace según su función, para los punzones de corte se emplean materiales de alta resistencia al desgaste y con muy buena conservación del filo, por ejemplo el SAE/AISI: D6 o D3, que pueden alcanzar una dureza de 62-64 HRc. 42 La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 establece la utilización de aceros tipo Y10A, X, X12M, Y8A* o 8XF* con una dureza de HRC 54…58 y se establece una rugosidad superficial de 0.8. Porta matriz: El acero se elige según el número de piezas a fabricar, puede ser hierro A- 36 o SAE/AISI: 1045, para grandes producciones se prefieren materiales con mayor dureza, templabilidad y resistencia al desgaste como el SAE/AISI: D2, que después de templado puede alcanzar una dureza de 62-64 HRc. Un análisis de las recomendaciones de la NF.EINPUD, arroja que utiliza básicamente las recomendaciones de la NC. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 referida en el trabajo es la diseñada por la Fabrica Instrumentar Miguel Saavedra. Cálculo de la matriz. Para realizar el cálculo de la matriz se debe calcular la superficie de trabajo (𝑏2 ∗ 𝑙1).Se utiliza la tabla 15 (Anexo 1). 𝑏2 Se calcula mediante la ecuación: 𝑏2 = 𝐵 + |∆𝐵| + 𝐸 Donde: 𝑏2= distancia entre reglillas en mm B= medida nominal del ancho de la banda ∆𝐵= tolerancia del ancho de banda de acuerdo al corte en mm, puede tomarse del libro Herramientas de Conformar del autor M. Mallo de la tabla 15 página 57 43 Después de calcular 𝑏2 se determina el valor de 𝑙1, es decir, la longitud de trabajo de la matriz, que es la distancia entre los agujeros correspondientes a los punzones más distantes (extremos) de la matriz más 15 a 20 mm a ambos lados. Con los valores de la superficie de trabajo calculados se va a las tablas del libro Herramientas de Conformar en las páginas 51-56 y se selecciona el conjunto superior correspondiente. Si los valores calculados de (b2 x L1) no se encuentran en las tablas se debe utilizar la tabla 16 (anexo 1), todos los valores calculados deben llevarse a números preferidos según la serie R40. La altura de la reglilla y la cabeza del tope se seleccionan por la tabla 17 (Anexo 1) Ángulo de salida de la matriz Los dos tipos más comunes de filo de matrices son los representados en la figura 10. No existe una opinión unánime sobre las ventajas de empleo de cada uno, así tendremos que hay quien defiende el primer filo (a) para generalidad de los casos y otros muchos prefieren el segundo (b), alegando una mayor vida de la matriz, pues los afilados sucesivos no aumentan su tamaño. [15] Figura 10: Tipo de filos de matrices. 44 Selección del conjunto superior El porta punzón debe de estar en correspondencia con las dimensiones de la porta matriz. Para su selección se debe emplear las normas que aparecen en las páginas 65 y 67 del texto Herramientas de Conformado de M. Mallo. Si la base se hace de acero y la 𝜎𝑎𝑝 es mayor de 180 hay que colocar placa de apoyo; lo mismo ocurre si la base superior fuera de Hofo y la 𝜎𝑎𝑝 mayor de 90𝑁 𝑚𝑚2⁄ . El valor de se calcula por la siguiente expresión: 𝜎𝑎𝑝 = 𝐹𝑐 𝐴𝑎𝑝 , 𝑁 𝑚𝑚2⁄ Donde: 𝐹𝑐= Fuerza de corte del punzón que se esté analizando, N 𝐴𝑎𝑝= Área de apoyo de la cabeza del punzón que se está analizando, 𝑚𝑚2 Punzones de corte En la norma cubana aparecen los punzones redondos normalizados hasta 50 mm, NC 09-46 a 09-51. Los punzones de longitud mayor que 60 mm deben de ser comprobados a estabilidad. 𝐿𝑚𝑎𝑥 = √ 𝜋2∗𝐸∗𝐼 𝐹𝑐𝑇 Donde: 𝐿𝑚𝑎𝑥= Longitud máxima del punzón 𝐹𝑐𝑇= Fuerza de corte del punzón 45 I= Momento de inercia. Se utiliza la tabla 22 (Anexo 1) E=2∗ 106 L = (1 ÷ 2) + (15 ÷ 30) + gl + pg + ppp Donde: L= Longitud del punzón Gl = altura de las guías laterales Pg = altura de la placa guía Ppp = altura de la placa portapunzones Los punzones también deben de ser comprobados a compresión 𝜎𝐶𝑂𝑀 = 𝑃 𝐹 ≤ [𝜎𝐶𝑂𝑀] Donde: P= esfuerzo aplicado al punzón, N F= área mínima de la sección transversal del punzón, 𝑚𝑚2 [𝜎𝐶𝑂𝑀] = Tensión admisible a la compresión del material de que se fabrique el punzón, 𝑁 𝑚𝑚2⁄ Los armazones más empleados son las descritas en las NC 09-06, NC 09-08, NC 09-09 y NC 09-12. La selección se hace en base a los criterios del diseñador. 46 Selección de las columnas Las columnas se seleccionan por la NC 09-13. El número de columnas y sus dimensiones dependen del tipo de armazón, para seleccionar las columnas, se entra con el diámetro de los agujeros de la base inferior, es decir haciendo coincidir el diámetro de dicho agujero con el diámetro de la columna. Una vez determinado dicho diámetro se seleccionan las demás dimensiones. La longitud total (l) debe ser normalizada, pero en realidad no se conoce su longitud real hasta que no se tengan todos los componentes del troquel. [18] Selección de los bujes Para seleccionar los bujes se utiliza la NC 09-14, se selecciona según el criterio del diseñador. Cálculo de la fuerza de corte y el trabajo para la elección de la máquina Fuerza de corte: Es la fuerza necesaria para el corte de la pieza, es indispensable calcular su valor con el fin de determinar la respectiva capacidad de la prensa. [19] Esta magnitud de la fuerza cortante 𝐹𝑐 esta expresada por la siguiente ecuación: 𝐹𝑐 = 𝐿𝑇 ∗ 𝑆 ∗ 𝜏𝑐 ∗ 1,3 Donde: 𝐿𝑇=Perímetro de corte total S=Espesor del material, mm 𝜏𝑐-Resistencia al corte del material que se elabora, 𝑁 𝑚𝑚2⁄ 1,3-Coeficiente para evitar la sobrecarga de la máquina 47 Para calcular el trabajo se emplea la siguiente expresión: = 𝐹𝐶 ∗ 𝑋 ∗ 𝑆 Donde: 𝐹𝑐-fuerza de corte total, N X-coeficiente que depende del tipo de material X-0,7 para materiales blandos X-0,6 para materiales duros X-0,5 para materiales muy duros S-espesor del material, mm Elección de la máquina a emplear Como aspectos importantes para elegir la prensa a emplear se considera que la altura cerrada de la prensa corresponda o que sea mayor que la altura cerrada del troquel, también que el esfuerzo de la prensa sea algo mayor que el esfuerzo necesario para el troquelado. Las dimensiones de la mesa deben ser mayores que las dimensiones del troquel, la potencia de la prensa debe de ser suficiente para realizar el trabajo calculado y el tipo de prensa y la magnitud de la carrera del cabezal, deben corresponder con la operación tecnológica. [9] Para la selección de la prensa a utilizar se utilizan las tablas 20 y 21 (Anexo 1) donde aparecen varias prensas con sus características más importantes. 48 Se entra a la tabla con la fuerza de corte calculada, generalmente esta no coincide con los valores inmediatos de la tabla por lo q se toma el valor inmediato superior. Después de seleccionar los demás parámetros y se chequean los aspectos ya mencionados [18]. 𝐹𝑝 > 𝐹𝑐 Donde: 𝐹𝑝-Fuerza nominal de la prensa, N 𝐹𝑐-Fuerza de corte calculada, N 𝑊𝑝 > 𝑊 Donde: 𝑊𝑝-Capacidad de trabajo de la prensa, kN-m W-trabajo necesario en el corte, kN-m Selección del vástago Para seleccionar el vástago se utiliza la NC 09-15, el mismo se selecciona según el criterio del diseñador teniendo presente que las dimensiones dependen de la prensa a utilizar con la ayuda de la tabla 1 de la NC 09-15 entrando con la fuerza nominal de la prensa en toneladas. Selección de los elementos encargados de asegurar el paso Estos elementos son muy importantes ya que estos aseguran que las piezas sean fabricadas con las medidas exactas y por tanto se encuentran en casi todos los troqueles, estos pueden ser topes fijos, topes iniciales, localizadores y recortadores laterales, según la cantidad de piezas a obtener se utilizará cada elemento. 49 Los topes iniciales son muy importantes ya que estos garantizan el paso en el primer golpe de prensa, los localizadores son elementos complementarios utilizados para asegurar una mayor precisión del corte del contorno interno con respecto al contorno externo, los topes fijos y recortadores laterales se utilizan para garantizar el paso. Para la selección de los topes fijos se utiliza las NC 09-43 y NC 09-44, estos topes no tienen que ser necesariamente normalizados. Los topes iniciales aparecen en la NC 09- 52, los localizadores se seleccionan en base al diámetro de los agujeros punzonado. 2.3 Análisis económico Norma de consumo de la chapa Al realizar cualquier producción además de su diseño se debe analizar también su costo económico para saber si es factible su fabricación. Los indicadores más relevantes a chequear son: el factor de aprovechamiento del material inicial, la cantidad de material necesario a utilizar y la norma de consumo. La norma de consumo es la masa en kg de la materia prima necesaria (chapas, rollos, etc.) para fabricar un número determinado de piezas. Se entiende por factor de aprovechamiento a la relación existente entre la masa o área de las piezas que se obtienen de una unidad de materia prima partido por la masa o área de esa unidad, y es expresado normalmente en porcentaje. [15] Costo del troquel Cuba como país subdesarrollado tiene como característica la escasez de recursos financieros para hacer inversiones y para importar bienes lo cual se deriva de su propia estructura exportadora caracterizada por una balanza comercial donde se importa más 50 que lo que se exporta, de ello se deriva que en los Lineamientos de la Política Económica, Social del Partido y la Revolución en el capítulo XII Política para el comercio, en el Lineamento 78 se plantea: diversificar la estructura de las exportaciones de bienes y servicios, con preferencia de mayor valor agregado y contenido tecnológico. Este lineamento va acompañado del Lineamiento 87: propiciar un acelerado proceso efectivo de sustitución de importaciones, con mecanismos que estimulen y garanticen la máxima utilización posible de todas las capacidades de que dispone el país en el sector agrícola, industrial, en servicios y en recursos humanos, y el lineamiento 88 se vincula directamente con el tema de nuestra tesis al plantear: Trabajar sistemáticamente, por parte de las empresas importadoras de maquinarias y equipos, en la identificación de capacidades de fabricación nacional de los renglones que constituyen su nomenclatura de productos, y sobre esa base promover acuerdos de provecho mutuo entre la industria mecánica cubana y los fabricantes extranjeros con los que mantiene relaciones para, mediante la transferencia de tecnología, asistencia técnica y otras facilidades, propender a la sustitución gradual de importaciones, en especial de partes y piezas de repuesto. De los Lineamientos mencionados se infiere que como parte de la política de nuestro país está la sustitución de importaciones a partir del aprovechamiento de las potencialidades con que cuenta el país como son las capacidades industriales instaladas y nuestro capital humano que constituye una de nuestras mayores fortalezas, al contar con profesionales con un alto nivel de conocimientos, preparación y competitividad. En las empresas se realizan las fichas de costo para cada producción que se realiza. Para confeccionar la ficha se tienen en cuenta los siguientes aspectos: a) Materia Prima y Materiales 51 b) Gasto de la Fuerza de Trabajo c) Otros Gastos Directos d) Gastos Indirectos de Producción e) Gastos Generales y de Administración f) Gasto de Distribución y Venta 2.4 Conclusiones parciales. 1. El diseño de troqueles es un proceso complejo basado fundamentalmente en la experiencia y habilidades de los diseñadores. 2. Existe abundante información y criterios técnicos relacionados con el tema de diseño de troqueles de corte. 3. Se ordenó la información disponible sobre diseño de troqueles progresivos en forma de metodología. 4. Ha sido posible recopilar, organizar y actualizar una metodología relacionada con el diseño de troqueles utilizando el proceso de diseño en Ingeniería. 52 Capítulo 3. Caso de estudio. Diseño de un troquel progresivo para una pieza típica de acero inoxidable. 3.1 Datos de la pieza y verificación de sus condiciones geométricas Material: Acero Inoxidable Espesor (S) de 0.6 mm. Grado de Precisión: IT14 Cantidad de piezas: 50000 1. Verificación del Plano de la Pieza: a) Chequeo de los radios de empalme (contornos exteriores e interiores) 𝑅2 – contorno exterior 𝑅2 ≥ 0.5 ∗ S 1.5 ≥ 0.5 ∗ 0.6 1.5 ≥ 0.3 mm 53 b) Tolerancias de todas las dimensiones de la pieza 60.7 ±0.15mm 16 ±0.15mm 42 ±0.5mm 20 ±0.15mm 484 ±0.32mm 6 ±0.5mm 15 ±0.15mm c) Verificación del diámetro mínimo a punzonar: Para Ø3.3mm Para R12 Para R10 𝑑 𝑠 > 1.5 𝐶 𝑆 > 1.1 𝐶 𝑆 > 1.1 3.3 0.6 > 1.5 12 0.6 > 1.1 10 0.6 > 1.1 5.5>1.5 20> 1.1 16. 6 >1.1 d) Verificación de la distancia entre agujeros a punzonar y la distancia entre agujeros y contornos exteriores: Tabla 6 pág. 18 Guía de Troqueles. Forma del agujero No. 1: a>s Para a=4.35mm Para a=20.7mm Para a=12.7 a>s a>s a>s 4.35>0.6 20.7>0.6 12.7>0.6 OK OK OK e) Desviaciones de los diámetros a punzonar 3.3 ±0.06mm 54 3.2 Selección del troquel a utilizar Según las tablas 9 y 10 del anexo 1 se selecciona un troquel progresivo con columnas y placa guía. 3.3 Cálculo de la disposición de corte u ordenamiento Determinar las distancias pieza-pieza S ≤ dpp ≤ 1.5 ∗ S 0.6 ≤ 𝑑𝑝𝑝 ≤ 1.5 ∗ 0.6 0.6 ≤ 𝑑𝑝𝑝 ≤ 0.9 Dpp=0.7mm Determinar distancia pieza-borde Dpb=1mm ORDENAMIENTO CON EL EJE LONGITUDINAL DE LA PIEZA PERPENDICULAR AL AVANCE DE LA BANDA Determinar el paso P=60.7+0.7 P=61.4mm Cálculo del ancho de la tira o banda: Ancho de la banda (B): B = dimension + 2 ∗ dpb B = 484 + 2 ∗ 1 55 B = 486 mm Cálculo de la disposición de corte (longitudinal y transversal): Corte longitudinal Corte transversal 𝐍𝐛/𝐜𝐡 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐁 1000 486 = 2.06 𝐍𝐛/𝐜𝐡 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝐁 2000 486 = 4.11 𝐍𝐩/𝐛 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝐏 2000 61.4 = 32.5 𝐍𝐩/𝐛 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐏 1000 61.4 = 16.28 𝐍𝐩/𝐜𝐡 = 𝐍𝐛/𝐜𝐡 ∗ 𝐍𝐩 /𝐛 2 ∗ 32 = 32 𝐍𝐩/𝐜𝐡 = 𝐍𝐛/𝐜𝐡 ∗ 𝐍𝐩 /𝐛 4 ∗ 16 = 64 𝐊 = 𝐀𝐩 ∗ 𝐍𝐩/𝐜𝐡 𝐀𝐜𝐡 ∗ 𝟏𝟎𝟎% 27016.28 ∗ 64 2000000 ∗ 100 = 86.45% 𝐊 = 𝐀𝐩 ∗ 𝐍𝐩/𝐜𝐡 𝐀𝐜𝐡 ∗ 𝟏𝟎𝟎% 27016.28 ∗ 64 2000000 ∗ 100 = 86.45% 𝐴𝑝 = 𝐴4 − 2𝐴2 − 𝐴3 − 4𝐴1 𝐴2 = 𝐴5 + 𝐴6 = 480 + 452.16 = 932.16𝑚𝑚2 𝐴5 = b ∗ l 𝐴5 = 24 ∗ 20 𝐴6 = 𝜋𝑑2 4 = 3.14 ∗ 242 4 = 452.16𝑚𝑚2 𝐴5 = 480𝑚𝑚2 𝐴3 = 𝐴7 + 𝐴8 𝐴7 = 𝜋𝑑2 4 = 3.14∗202 4 = 314𝑚𝑚2 𝐴8 = 𝑏 ∗ 𝑙 = 10 ∗ 15 = 150𝑚𝑚2 56 𝐴1 = 𝜋𝑑2 4 = 3.14 ∗ 3.32 4 = 8.55𝑚𝑚2 𝐴4 = 𝑏 ∗ 𝑙 = 60.7 ∗ 484 = 29378.8𝑚𝑚2 𝐴𝑝 = 29378.8 − 2 ∗ 932.16 − 464 − 4 ∗ 8.55 𝐴𝑃 = 27016.28𝑚𝑚2 ORDENAMIENTO CON EL EJE LONGITUDINAL DE LA PIEZA PARALELO AL AVANCE DE LA BANDA Determinar el paso Determinar ancho de la banda P=484+0.7=484.7mm B=60.7+2*1=62.7mm Corte longitudinal Corte transversal 𝐍𝐛/𝐜𝐡 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐁 1000 62.7 = 15.94 𝐍𝐛/𝐜𝐡 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝐁 2000 62.7 = 31.89 𝐍𝐩/𝐛 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝐏 2000 484.7 = 4.12 𝐍𝐩/𝐛 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐏 1000 484.7 = 2.06 𝐍𝐩/𝐜𝐡 = 𝐍𝐛/𝐜𝐡 ∗ 𝐍𝐩 /𝐛 15 ∗ 4 = 60 𝐍𝐩/𝐜𝐡 = 𝐍𝐛/𝐜𝐡 ∗ 𝐍𝐩 /𝐛 31 ∗ 2 = 62 𝐊 = 𝐀𝐩 ∗ 𝐍𝐩/𝐜𝐡 𝐀𝐜𝐡 ∗ 𝟏𝟎𝟎% 27016.28 ∗ 60 2000000 ∗ 100 = 81.04% 𝐊 = 𝐀𝐩 ∗ 𝐍𝐩/𝐜𝐡 𝐀𝐜𝐡 ∗ 𝟏𝟎𝟎% 27016.28 ∗ 62 2000000 ∗ 100 = 83.75% 57 Analizando los coeficientes de aprovechamiento se toma el ordenamiento vertical con un 86.45% de utilización del material. Cálculo del centro de fuerza Partes Perímetro X Y PX PY 1 1089.4 30.35 242 33063.29 263634.8 2 10.362 83.75 478 867.82 4953.04 3 10.362 83.75 6 867.82 62.17 4 10.362 99.75 6 1033.61 62.17 5 10.362 99.75 478 1033.61 4953.04 6 115.36 91.75 432 10584.28 49835.52 7 61.4 91.75 242 5633.45 14858.8 8 115.36 91.75 52 10584.28 5998.72 Total 1422.97 63668.16 344358.26 �̅� = 𝑃𝑋 𝑃 = 63668.16 1422.97 = 44.74𝑚𝑚 �̅� = 𝑃𝑌 𝑃 = 344358.26 1422.97 = 242𝑚𝑚 3.4 Cálculo del juego de corte 𝜇 = 0.01 ∗ 𝑆√0.1 ∗ 𝜏𝐵 𝜇 = 0.01 ∗ 0.6√0.1 ∗ 520 𝜇 = 0.043𝑚𝑚 58 Según la tabla 14 el rango de juego de corte es de 0.04 a 0.1, por tanto se selecciona 0.05mm como juego de corte. 3.5 Dimensionamiento de los elementos cortantes del troquel Recortado (Corte) Medidas que aumentan con el desgaste Pieza (IT12) Matriz (IT7) Punzón (IT6) 484 mm ±0.32 0.063 0.040 60.7 mm ±0.15 0.030 0.019 Para 484mm 𝐷𝑚 = (𝐷𝑛 + 𝐸𝐼)+𝛿𝑚 = (484 − 0.32)0.063 = 483.68+0.063𝑚𝑚 𝑑𝑝 = (𝐷𝑚 − 2𝜇)−𝛿𝑝 = (483.68 − 2 ∗ 0.05)−0.04 = 483.58−0.04𝑚𝑚 Para 60.7mm 𝐷𝑚 = (𝐷𝑛 + 𝐸𝐼)+𝛿𝑚 = (60.7 − 0.15)+0.030 = 60.55+0.030𝑚𝑚 𝑑𝑝 = (𝐷𝑚 − 2𝜇)−𝛿𝑝 = (60.55 − 2 ∗ 0.05)−0.019 = 60.45−0.019𝑚𝑚 Punzonado Nomograma 1.26 pág. 40 Herramientas de conformar 𝜇0 = 𝜇 𝑠 ∗ 100% = 0.05 0.6 ∗ 100 = 8.3 𝑓𝑒 = 11𝑛𝑚 = 0.11𝑚𝑚 59 Medidas que disminuyen Pieza (IT12) Matriz (IT7) Punzón (IT6) ∅3.3 ± 0.06 0.012 0.008 R12 ±0.09 0.018 0.011 20 ±0.15 0.021 0.013 R10 ±0.075 0.015 0.009 15 ±0.15 0.018 0.011 Para ∅3.3 𝑑𝑝 = (𝑑𝑛 + 𝑒𝑠 + 𝑓𝑒)−𝛿𝑝 = (3.3 + 0.06 + 0.11)−0.008 = 3.47−0.008𝑚𝑚 𝐷𝑚 = (𝑑𝑝 + 2𝜇)+𝛿𝑚 = (3.47 + 2 ∗ 0.05)+0.012 = 3.57+0.012𝑚𝑚 Para R12 𝑑𝑝 = (𝑑𝑛 + 𝑒𝑠 + 𝑓𝑒)−𝛿𝑝 = (12 + 0.09 + 0.11)−0.011 = 12.2−0.011𝑚𝑚 𝐷𝑚 = (𝑑𝑝 + 2𝜇)+𝛿𝑚 = (12.2 + 0.15)+0.018 = 12.3+0.018𝑚𝑚 Para 20mm 𝑑𝑝 = (𝑑𝑛 + 𝑒𝑠 + 𝑓𝑒)−𝛿𝑝 = (20 + 0.15 + 0.11)−0.013 = 20.26−0.013𝑚𝑚 𝐷𝑚 = (𝑑𝑝 + 2𝜇)+𝛿𝑚 = (20.26 + 2 ∗ 0.05)+0.021 = 20.36+0.021𝑚𝑚 Para R10 𝑑𝑝 = (𝑑𝑛 + 𝑒𝑠 + 𝑓𝑒)−𝛿𝑝 = (10 + 0.075 + 0.11)−0.009 = 10.185−0.009𝑚𝑚 60 𝐷𝑚 = (𝑑𝑝 + 2𝜇)+𝛿𝑚 = (10.185 + 2 ∗ 0.05)+0.015 = 10.285+0.015𝑚𝑚 Para 15mm 𝑑𝑝 = (𝑑𝑛 + 𝑒𝑠 + 𝑓𝑒)−𝛿𝑝 = (15 + 0.15 + 0.11)−0.011 = 15.26−0.011𝑚𝑚 𝐷𝑚 = (𝑑𝑝 + 2𝜇)+𝛿𝑚 = (15.26 + 2 ∗ 0.05)+0.018 = 15.36+0.018𝑚𝑚 3.6 Selección de los materiales Criterios para la selección de los materiales de las partes de los troqueles recomiendan lo siguiente: Base superior (parte móvil): Para su fabricación se usan materiales tales como placas de hierro fundido, hierro maleable, aceros al carbono del tipo A-36 o placas de aceros al carbono de mediana resistencia como SAE/AISI: 1045, o sus equivalentes en dependencia de las marcas. La norma cubana para el diseño de troqueles, NC 09-02-06 (9), plantea la utilización de fundición de acero marca FA-45, FA-50 y FA-55 o acero 45. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 (10) utiliza los aceros FG-22, aceros 45 o 20. La rugosidad superficial que es utilizada en la NC 09-02-06 es de 1,25. Base inferior (parte fija): Tanto la base inferior como superior presentan las mismas características. Porta punzones: Es construida según la exigencia del troquel con diferentes tipos de aceros, incluyendo SAE/AISI: 1045 para trabajos de baja y mediana exigencia o de alta calidad y resistencia, como SAE/AISI: O1, O2, A2, D2, D3, D6, para aquellas herramientas dedicadas a procesos de alta producción, todos ellos, materiales que 61 cumplen con las tres propiedades más importantes en la selección de aceros para trabajos en frío: tenacidad, resistencia al desgaste y dureza. En la norma NF09-0035.1:1977 se establece que la rugosidad superficial 1.6. Sistema de guiado: Esta función se deja a cargo de cuatro columnas de guiado que van montadas generalmente en la base inferior y sus respectivos bujes, sistema que se encargan de posicionar y centrar las dos partes del troquel. La NC 09-02-85 esta norma establece las especificaciones de los bujes guía con ajuste complementario, para las columnas guía escalonadas, propone que los bujes se realizaran de acero 20, acero 18 Cr Mn Ti, fundiciones grises FG 25. Para el acero 20 cementar de 0,8 a 1,2 mm de profundidad y una dureza de HRC 45…58 y para el acero 18 Cr Mn Ti cementar 1,5 mm de profundidad como mínimo y una dureza de HRC 48…52. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 plantea que para los bujes y columnas guías se puede utilizar un acero 18 XGT, acero 20 con una dureza HRC 58…62 y sementarlos de 0,5 a 0,8 mm de profundidad. La rugosidad superficial será de será de 0.4 según la NC 09-02-85 con una tolerancia de H7. En la norma NF09-0035.1:1977 se establece una rugosidad superficial de 0,8. Punzones: La elección de los aceros para su fabricación se hace según su función, para los punzones de corte se emplean materiales de alta resistencia al desgaste y con muy buena conservación del filo, por ejemplo el SAE/AISI: D6 o D3, que pueden alcanzar una dureza de 62-64 HRc. 62 La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 establece la utilización de aceros tipo Y10A, X, X12M, Y8A* o 8XF* con una dureza de HRC 54…58 y se establece una rugosidad superficial de 0.8. Porta matriz: El acero se elige según el número de piezas a fabricar, puede ser hierro A- 36 o SAE/AISI: 1045, para grandes producciones se prefieren materiales con mayor dureza, templabilidad y resistencia al desgaste como el SAE/AISI: D2, que después de templado puede alcanzar una dureza de 62-64 HRc. Un análisis de las recomendaciones de la NF.EINPUD, arroja que utiliza básicamente las recomendaciones de la NC. La norma de fábrica NF09-0035.1:1977 referida en el trabajo es la diseñada por la Fabrica Instrumentar Miguel Saavedra. 3.7 Cálculo del área mínima de trabajo de la matriz (𝒃𝟐 ∗ 𝒍𝟏) 𝑏2 = 𝐵 + 2|∆𝐵| + 𝐸 𝑏2 = 486 + 2|−0.6| + 1.5 𝑏2 = 489𝑚𝑚 𝑙1 = 𝑏 + 𝑑𝑝𝑝 + 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 + 30 𝑎 40 𝑙1 = 60.7 + 0.7 + 40.7 + 40 𝑙1 = 142𝑚𝑚 (𝑏2 ∗ 𝑙1) = (489 ∗ 142) Esta área de trabajo no se encuentra normalizada en ninguna bibliografía, se analizaron otras variantes pero estas eran muy grandes y se desperdiciaba mucho material, por 63 estas razones se realizó el diseño del troquel manteniendo las relaciones que se establecen en las tablas normalizadas y según el criterio del autor. El diseño y las dimensiones del conjunto inferior se ubican en los anexos. Se utilizan 4 pasadores cilíndricos 10x90 y 4 tornillos allen M12x80 Ángulo de salida de la matriz. Se selecciona del tipo de los afilados sucesivos alegando una mayor vida de la matriz ya que estos no aumentan su tamaño. Selección de los elementos encargados de asegurar el paso. Para asegurar que la pieza se fabrique con las dimensiones previstas se utilizan un tope inicial y uno final seleccionados según las normas correspondientes. 3.8 Selección del conjunto superior. El diseño del conjunto superior se realizó según el criterio del autor, manteniendo las relaciones en las dimensiones establecidas en las tablas normalizadas ya que el mismo no aparece en dichas tablas. Se necesita utilizar placa de apoyo o sufridera porque el agujero del vástago coincide con un punzón. El plano aparece en los anexos. 64 Punzones de corte. Cálculo de la longitud del punzón 𝐿 = (1 ÷ 2) + (15 ÷ 30) + 𝑔𝑙 + 𝑝𝑔 + 𝑝𝑝𝑝 𝐿 = 1 + 20 + 6 + 27 + 30 𝐿 = 84𝑚𝑚 Es necesario realizar el chequeo a estabilidad ya que la longitud de los punzones es mayor que 60mm. Chequeo de estabilidad Para 489*60.7mm 𝐹𝑐 = 𝐿𝑡 ∗ 𝑆 ∗ 𝜏𝐶 ∗ 1.3 = 1089.4 ∗ 0.6 ∗ 520 ∗ 1.3 = 441860.64𝑁 𝐼 = 𝑏 ∗ ℎ3 12 = 484 ∗ 60.73 12 = 9020491𝑚𝑚4 Lmax = √ π ∗ E ∗ I Fc = √ 3.14 ∗ 106 ∗ 9020491 441860.64 = 8006𝑚𝑚 L˂ Lmax OK Selección de las columnas. Se utilizan dos columnas colocadas en forma diagonal para evitar que el conjunto superior pueda pandearse o los punzones perder su alineación por el gran tamaño del troquel. El dimensionamiento de las columnas aparece en los anexos. 65 Selección de los bujes. En el conjunto superior se colocan dos bujes seleccionados de la norma cubana 09-14, el plano de los mismos se encuentran en los anexos. Selección del vástago. Según la NC 09-15 se selecciona el vástago de diámetro 65mm correspondiente con la prensa seleccionada. 3.9 Cálculo de la fuerza de corte y el trabajo para la selección de la máquina. 𝐹𝑐𝑡 = 𝐿𝑇 ∗ 𝑆 ∗ 𝜏𝐶 ∗ 1.3 𝐹𝑐𝑡 = 1422.97 ∗ 0.6 ∗ 520 ∗ 1.3 𝐹𝑐𝑡 = 577156.6𝑁 = 64.8𝑡𝑓 𝑊 = 𝐹𝑐𝑡 ∗ 𝑋 ∗ 𝑆 𝑊 = 577156.6 ∗ 0.7 ∗ 0.6 𝑊 = 242405.8𝑁𝑚𝑚 Selección de la prensa a emplear. Con la fuerza de corte total y el trabajo necesario para realizar la operación de corte calculado se entra a la tabla 20 del anexo 1 y se selecciona la prensa LE-400 fija. 3.10 Cálculos económicos. El análisis Costo-Beneficio (B/C) es una herramienta financiera que mide la relación entre los costos y beneficios asociados a un proyecto de inversión con el fin de evaluar su rentabilidad. Según el análisis costo-beneficio, un proyecto será rentable cuando la 66 relación costo-beneficio es mayor que la unidad. Por lo que si B/C > 1, el proyecto es rentable. Para la evaluación del proyecto propuesto se tuvo en cuenta varias premisas como son:  la inversión se analiza para 5 años de vida útil de la herramienta  la evaluación se realizó en moneda total  se aplicó el 12.5 % estipulado por el Ministerio de Finanzas y Precios (MFP) como contribución a la seguridad social  se aplicó el 25 % como impuesto sobre el salario establecido en la Ley 73 del Sistema Tributario  la tasa de actualización utilizada para el estudio es del 12 %,  como margen comercial se estableció el 10% por encima del costo en CUC.  para calcular el factor de actualización se ha utilizado la fórmula Σ IT/ (1 + k)n, donde k es la tasa de actualización y n el número de años que se evalúa la inversión. La tabla siguiente corresponde a la Ficha de Costo para el producto Troquel de corte progresivo Concepto de Gasto UM: uno % capacidad utilizada Fila Total unitario De ello CUC 1 2 3 4 Materia Prima y Materiales 1 872.228 305.250 Materias primas y materiales fundamentales 1.1 443.655 305.250 Combustibles y lubricantes 1.2 0.095 0.000 67 Energía eléctrica 1.3 428.400 0.000 Agua 1.4 0.078 0.000 Sub total (Gastos de elaboración) 2 1246.592 0.000 Otros Gastos directos 3 0.000 0.000 Depreciación 3.1 0.000 Arrendamiento de equipos 3.2 Ropa y calzado (trab. Directos) 3.3 0.000 Gastos de fuerza de trabajo 4 1248.452 0.000 Salarios 4.1 768.987 Vacaciones 4.2 96.352 Contribución a la seguridad Social 4.3 97.947 Impuesto sobre el salario 25% 4.4 285.166 Estimulación en Divisas 4.5 0.000 Gastos indirectos de producción 5 0.000 0.000 Gastos generales y de administración 6 0.000 0.000 Gastos de Distribución y Ventas 7 0.00 0.00 Gastos Totales o Costo de producción 9 2118.820 381.388 Margen utilidad s/ base autorizada 10 254.258 PRECIO 11 2373.078 % Sobre el gasto en divisas (10 %) 12 COMPONENTE EN PESOS CONVERTIBLES 13 381.388 . 68 Se producirán al año un solo troquel, o sea, 1 unidad anual a un precio de venta de 2373.078 en moneda total (CUC+CUP). Por lo que de forma anual, considerando una vida útil del troquel de 5 años, se tiene que: Concepto Cálculo Valores en moneda total (CUP+CUC) Ingresos totales (= cantidad de artículos en un año * gastos totales o costo de producción) =1* 2373.078 2373.078 Costos totales (Gastos Totales o Costo de producción) =1*2118.820 2118.820 IT= ∑Ingresos totales actualizados (Cantidad de troqueles a fabricar en un año * precio) 9459.01 ∑Costos totales actualizados 8472 Viabilidad de la propuesta 1.11 Como el coeficiente de viabilidad de la propuesta 69 es mayor que 1, se deduce que la propuesta de diseño del troquel es viable, para una vida útil estimada de 5 años. 3.11 Conclusiones parciales 1. Se diseñó satisfactoriamente un troquel para una pieza típica de acero inoxidable con la información recopilada en la metodología. 2. La propuesta de diseño es viable según la ficha de costo calculada 70 Conclusiones Generales  Con el uso de la ingeniería concurrente en el diseño y manufactura de troqueles progresivos se reduce el tiempo de desarrollo de los proyectos, incorporando la voz del cliente y garantizando al mismo tiempo, la calidad del producto durante todo el ciclo de vida, desde el diseño hasta su fabricación.  Para la fabricación de troqueles se tienen en cuenta cuatro aspectos muy importantes: trabajo a realizar, características de la prensa, material a troquelar y número de piezas a producir. A medida que aumentan estos aspectos, se necesitan diseños de troqueles con mayor complejidad y costo.  Se formalizó el conocimiento acerca del diseño de troqueles progresivos de corte con el fin de crear una metodología a seguir para realizar esta tarea y es útil para quienes participan en el diseño de herramentales.  Aplicando la metodología presentada se diseñó un troquel progresivo para fabricar una pieza de acero inoxidable utilizando las recomendaciones y tablas citadas en el segundo capítulo.  Con la ayuda del AutoCAD se realizaron los planos de los elementos que conforman el troquel siendo esta herramienta práctica y útil. 71 Bibliografía 1. MARTY-DELGADO, J. R.; Y. BERNAL-AGULIAR, et al., Planeación de procesos de embutición basada en estrategias de información. Revista Cubana de Ingeniería, 2011. 3(II): p. 53-58. 2. HERNÁNDEZ-SANTANA, E., Planeación de procesos de embutición de chapas asistida por computadora. Departamento de Ingeniería Mecánica. 2011, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas: Santa Clara. p. 100. 3. FERNANDEZ LEVY, G., Confección de tecnologías de corte para troqueles simples y progresivos y su diseño, in Departamento de Procesos Tecnológicos. 1996, Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas: Santa Clara. p. 102. 4. QUIZA-SARDIÑAS, R.; M. RIVAS-SANTANA, et al., Genetic algorithm-based multi- objetive optimization of cuting parameters in turning processes. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2006. 19: p. 127-133 doi: 10.1016/j.engappai.2005.06.007. 5. PADRÓN SOROA, S. Formalización del conocimiento para un sistema CAPP de maquinado de piezas simétrico-rotativas. Tesis en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas. Facultad de Ingeniería Mecánica. Santa Clara. 2002 6. Arzola Ruiz, J., Sistemas de Ingeniería. Preparación y toma de decisiones de ingeniería bajo criterios múltiples. 2009, Ciudad Habana: Félix Varela. 104. 7. López Navarro, T., Troquelado y estampación 8. ESTUDIO DE PROSPECTIVA TECNOLÓGICA PARA LA MANUFACTURA DE TROQUELES Y SU APLICACIÓN EN EL CONTEXTO NACIONAL.2014 72 9. Chávez-Silverio, D; Sánchez-Flores, M., Diseño y fabricación de un troquel para placas de apagador de aluminio.2008, México. 10. Cerón-Hoyos, J.E, Desarrollo de aspectos metodológicos en el diseño de matrices progresivas.2013. 11. García-Blazquiz, E., Diseño y cálculo de un troquel para la estampación en frío del soporte metálico de una pastilla de freno.2012, Pamplona. 12. Florit, A. Fundamentos de matriceria, Corte y Punzonado.2005, España. 13. Archunda-López, M. A., Diseño y manufactura de un troquel de corte con fines didácticos.2015, México. 14. Marín-Villar, C., Troqueles y troquelado. 15. Mallo-Gallardo, M., Herramientas de conformar. 16. Rossi, R., Estampado en frío de la chapa.1979. 17. Álvarez-Bermúdez, L. S., Metodología para el diseño de troqueles de corte de chapa metálica.2009, Santiago de Cali. 18. Fernández-Levy, G., Guía de troqueles.1988, Universidad Central de Las Villas. 19. Valenzuela-Drada, C., Guía para diseño y construcción de troqueles.1995, Santiago de Cali. Anexo Anexo 1 Tabla 1: Radios mínimos de empalme de los ángulos rectos y ángulos agudos. Tabla 2: Medidas mínimas de los agujeros punzonado. Tabla 3: Desviaciones de las medidas en agujeros. Tabla 4: Desviaciones de las medidas desde las superficies bases hasta los agujeros Tabla 5: Desviación del diámetro del agujero Tabla 6: Distancia mínima de los agujeros punzonados y las paredes de la pieza Tabla 7: Desviaciones de las medidas de las piezas planas obtenidas por estampado en frío Tabla 8: Valores de tolerancias para las medidas libres Tabla 9: Número económico de piezas para el corte de la capa en troqueles Tabla 10: Tolerancias alcanzables en los cortes con troqueles. Tabla 11: Distancia pieza-pieza y pieza-borde. Tabla 13: Resistencia al corte para diferentes materiales. Tabla 14: Juego máx. y mín. de acuerdo al tipo de material a estampar. Tabla 15: Formulas para determinar el ancho nominal de la tira. B: ancho nominal de la tira, mm A: distancia entre reglillas laterales, mm b: distancia pieza-borde, mm ∆ i: tolerancia unilateral de la tira que adquiere durante el corte de la cizalla o cierre, mm (Herramientas a conformar, página 57) z: juego entre las reglillas y la tira, mm (Herramientas a conformar, página 58 tabla 1.6) Tabla 17: Altura H de la reglilla y h de la cabeza del tope. Tabla 16: Recomendaciones para el diseño de la matriz. Tabla 20: Características fundamentales de varias prensas excéntricas. Tabla 21: Características fundamentales de varias prensas de manivela. Tabla 22: Cálculo del momento de inercia para las formas geométricas más comunes.